電場(chǎng)敏感性殼聚糖水凝膠制備的研究進(jìn)展

劉勇 劉根起 梁迪迪 李莎

摘要：殼聚糖具有親水性強(qiáng)、無(wú)毒、可降解及生物相容性好等優(yōu)點(diǎn)，以其為主要原料所制備的電場(chǎng)敏感性水凝膠在傳感器、可控藥物釋放、人工肌肉等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。本文就基于殼聚糖的電場(chǎng)敏感性水凝膠的制備方法進(jìn)行了綜述，并對(duì)其發(fā)展方向進(jìn)行展望。

關(guān)鍵詞：殼聚糖；水凝膠；電場(chǎng)敏感

中圖分類(lèi)號(hào)：TQ432 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1001-5922（2013）10-0087-04

1 前言

水凝膠是指一種主鏈或支鏈上含有大量親水性基團(tuán)、可以吸附一定量水分、具有三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的交聯(lián)聚合物[1]。它在水中可以溶脹而不溶解，并且達(dá)到溶脹平衡后仍能保持一定的形狀。當(dāng)受到外界環(huán)境因素，如溫度[2]、溶液pH值[3]、光[4]、電場(chǎng)[5]、磁場(chǎng)[6]等刺激時(shí)，某些水凝膠就會(huì)隨之響應(yīng)，發(fā)生收縮、膨脹、彎曲等體積或形狀的可逆改變，這種對(duì)外界環(huán)境變化具有刺激響應(yīng)性的水凝膠稱(chēng)為智能水凝膠。以前對(duì)于智能水凝膠的研究主要集中在溫敏性和pH敏感性這2方面，但是電場(chǎng)容易施加和調(diào)控，有利于實(shí)現(xiàn)材料的快速響應(yīng)，因此電場(chǎng)敏感性水凝膠相比于其他類(lèi)型智能水凝膠更具優(yōu)勢(shì)。目前制備電場(chǎng)敏感性水凝膠的材料以人工合成高分子材料為主，由于合成高分子的生物相容性較差以及可能存在的毒性，限制了電場(chǎng)敏感性水凝膠在生物醫(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)用。于是，具有良好生物相容性、無(wú)毒、環(huán)境友好，并具有較多活性基團(tuán)的天然高分子近年來(lái)逐漸成為制備電場(chǎng)敏感性水凝膠的理想材料[7，8]。

殼聚糖是由甲殼素經(jīng)脫乙酰基后的帶有氨基的天然多糖，是一種白色或灰白色半透明的片狀或粉狀固體，無(wú)毒、無(wú)味、來(lái)源豐富、價(jià)格低廉，具有優(yōu)良的生物降解性及生物相容性。以其為主要原料所制備的電場(chǎng)敏感性水凝膠在機(jī)器人、傳感器、可控藥物釋放、人工肌肉等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。本文就電場(chǎng)敏感性殼聚糖水凝膠的制備方法進(jìn)行了綜述，并對(duì)其發(fā)展方向進(jìn)行展望。

2 電場(chǎng)敏感性殼聚糖水凝膠的制備

電場(chǎng)敏感性水凝膠主要特點(diǎn)是可以將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能在電場(chǎng)刺激下可發(fā)生溶脹、收縮或彎曲。目前制備電場(chǎng)敏感性水凝膠的材料主要是人工合成高分子，以天然高分子為基材的電場(chǎng)敏感性水凝膠的研究較少。

殼聚糖化學(xué)名稱(chēng)為β-（1-4）-2-氨基-2-脫氧-D-葡萄糖，其大分子鏈上分布著許多-OH、-NH2基團(tuán)[9]，結(jié)構(gòu)式如圖1所示。

網(wǎng)絡(luò)中含有可離子化的基團(tuán)是高分子凝膠材料具有電刺激響應(yīng)行為的重要條件[10]。殼聚糖由于分子鏈上帶有大量的陽(yáng)離子基團(tuán)——氨基，自身就具備成為電場(chǎng)敏感性水凝膠的條件，而且殼聚糖的多羥基結(jié)構(gòu)也可以被可離子化基團(tuán)所取代，從而在其分子鏈上引入其他的陽(yáng)離子基團(tuán)或陰離子基團(tuán)。根據(jù)所制備的水凝膠所帶離子基團(tuán)的性質(zhì)，可將電場(chǎng)敏感性殼聚糖水凝膠分為聚陽(yáng)離子型、兩性聚電解質(zhì)型水凝膠。

2.1 聚陽(yáng)離子型

根據(jù)Shiga等[11]提出的電場(chǎng)敏感性水凝膠的響應(yīng)機(jī)理，聚合物網(wǎng)絡(luò)中可離子化基團(tuán)的數(shù)量影響著電場(chǎng)敏感性水凝膠對(duì)電刺激的響應(yīng)速度。一般而言，網(wǎng)絡(luò)中的離子化基團(tuán)越多，響應(yīng)越快。由于殼聚糖分子自身的多羥基特性，可用例如銨鹽類(lèi)的物質(zhì)對(duì)其進(jìn)行改性處理，從而將一些陽(yáng)離子基團(tuán)引入到殼聚糖的分子鏈上，增加殼聚糖分子鏈上離子基團(tuán)的數(shù)量。

Kim課題組在電場(chǎng)敏感性殼聚糖水凝膠方面進(jìn)行了大量研究。他們制備了多種聚陽(yáng)離子型水凝膠，如殼聚糖/聚二甲基丙烯基氯化銨[12]、殼聚糖/聚苯胺[13]、殼聚糖/聚烯丙基胺[14]水凝膠。為了進(jìn)一步提高殼聚糖水凝膠的力學(xué)強(qiáng)度，他們還將一些力學(xué)性能較好的合成高分子與殼聚糖共混，并對(duì)其中組分進(jìn)行交聯(lián)以形成互穿聚合網(wǎng)絡(luò)（IPN）或半互穿聚合網(wǎng)絡(luò)（semi-IPN）水凝膠，如殼聚糖/聚乙烯醇[15]、殼聚糖/聚丙烯腈[16]水凝膠。這些聚陽(yáng)離子型水凝膠在電場(chǎng)作用下均能發(fā)生彎曲或收縮，表現(xiàn)出良好的電場(chǎng)敏感性，并且這些性能都是重復(fù)可逆的。

Song等[17]用2，3-環(huán)氧丙基三甲基氯化銨（GTMAC）對(duì)殼聚糖分子進(jìn)行改性，再以環(huán)氧氯丙烷為交聯(lián)劑，成功制備了一種新型聚陽(yáng)離子型電場(chǎng)敏感性2-羥丙基三甲基氯化銨殼聚糖（HACC）水凝膠。發(fā)現(xiàn)水凝膠在NaCl溶液中的平衡溶脹率隨NaCl溶液離子強(qiáng)度的增大而減小；在NaCl溶液中于非接觸的直流電場(chǎng)作用下，水凝膠向電場(chǎng)正極彎曲，其彎曲速度隨外加電壓的增加而增加。Liu等[18]在Song所制備2-羥丙基三甲基氯化銨殼聚糖水凝膠的基礎(chǔ)上，以戊二醛為交聯(lián)劑，制備了力學(xué)性能更好的2-羥丙基三甲基氯化銨殼聚糖/聚乙烯醇（HACC/PVA）互穿網(wǎng)絡(luò)水凝膠。Sun等用濕法紡絲的方法，以NaOH水溶液為凝固浴，制備了殼聚糖/聚乙二醇[19]和殼聚糖/聚丙二醇[20]水凝膠纖維，研究了它在0.1%HCl溶液中的電刺激響應(yīng)行為。發(fā)現(xiàn)這類(lèi)水凝膠纖維在電壓較小的電場(chǎng)中，表現(xiàn)出快速收縮和彎曲行為，探討了交聯(lián)劑的濃度對(duì)復(fù)合水凝膠纖維的機(jī)械性能以及它在電場(chǎng)作用下的彎曲方向的影響。

雖然聚陽(yáng)離子殼聚糖水凝膠在外加電場(chǎng)作用下表現(xiàn)出良好的電場(chǎng)敏感性，但其水凝膠體系中一般只帶有一種離子化基團(tuán)——氨基。在低pH值下，氨基（-NH2）質(zhì)子化為氨基離子（-NH3+）。離子間的靜電斥力使水凝膠溶脹，水凝膠能夠在電場(chǎng)中快速?gòu)澢覐澢容^大。而在高pH值下，體系中形成的-NH3+較少，離子間的靜電斥力較小，水凝膠溶脹隨之變小，最終水凝膠在電場(chǎng)中的形變亦較小。這一性質(zhì)導(dǎo)致聚陽(yáng)離子型水凝膠只能在某一特定的pH值范圍內(nèi)才能表現(xiàn)出良好的電場(chǎng)敏感性，從而限制了其在不同pH值條件下的應(yīng)用。

2.2 兩性聚電解質(zhì)型

與聚陽(yáng)離子型水凝膠相比，兩性聚電解質(zhì)型水凝膠在分子鏈上帶有陽(yáng)離子基團(tuán)的同時(shí)，也帶有陰離子基團(tuán)，綜合了聚陽(yáng)離子型和聚陰離子型水凝膠的特點(diǎn)，在較寬的pH值范圍內(nèi)都具有電場(chǎng)響應(yīng)性，從而拓展了其應(yīng)用領(lǐng)域。

Kim等[21]將殼聚糖與一種聚陰離子型天然高分子——透明質(zhì)酸共混，制備出殼聚糖/透明質(zhì)酸復(fù)合聚電解質(zhì)水凝膠。此外，他們還制備出殼聚糖/聚羥乙基甲基丙烯酸酯[22]水凝膠。這2種兩性聚電解質(zhì)型水凝膠由于分子鏈上既帶有氨基又帶有羧基，所以其彎曲偏轉(zhuǎn)的方向受電解質(zhì)溶液pH值的影響。它們?cè)趐H<7的電解質(zhì)溶液中，殼聚糖上的氨基（-NH2）質(zhì)子化為-NH3+，此時(shí)水凝膠具有聚陽(yáng)離子的性質(zhì)，因此在電場(chǎng)作用下彎向正極；在pH<7的電解質(zhì)溶液中，透明質(zhì)酸或聚羥乙基甲基丙烯酸酯上的羧基（-COOH）離子化為-COO-，水凝膠變?yōu)榫坳庪x子，在電場(chǎng)作用下彎向負(fù)極。

Shang等[23]將殼聚糖與其衍生物羥甲基殼聚糖共混，以戊二醛為交聯(lián)劑制備了一種兩性聚電解質(zhì)水凝膠膜。在電場(chǎng)作用下，當(dāng)溶液pH≤7時(shí)凝膠向電場(chǎng)的陽(yáng)極偏轉(zhuǎn)；而當(dāng)溶液pH>7時(shí)凝膠向電場(chǎng)的陰極偏轉(zhuǎn)。管娟等[24]通過(guò)將大豆蛋白（SPI）和羧甲基殼聚糖（CMCS）進(jìn)行溶液共混，并以環(huán)氧氯丙烷為交聯(lián)劑，成功地制備了一種天然高分子兩性荷電水凝膠，這種SPI/CMCS水凝膠在電場(chǎng)的作用下可以快速向電極一側(cè)彎曲，表現(xiàn)了很好的電場(chǎng)敏感性。另外，該水凝膠在酸性極強(qiáng)（pH=3～4）以及中性（pH=7）的環(huán)境中仍能表現(xiàn)出良好的電場(chǎng)敏感性，拓展了天然高分子電場(chǎng)敏感水凝膠的應(yīng)用范圍。尚婧[25]將殼聚糖和羥甲基纖維素共混，以戊二醛作交聯(lián)劑來(lái)交聯(lián)殼聚糖上的氨基以形成聚合物半互穿網(wǎng)絡(luò)，制備出一種天然兩性聚電解質(zhì)型水凝膠。在不同pH值下，此凝膠均表現(xiàn)出較好的電場(chǎng)響應(yīng)行為，其彎曲方向隨電解質(zhì)溶液的pH值的變化而變化，并且在pH=6，離子強(qiáng)度為0.2 M的緩沖溶液中，在15 V電壓時(shí)，其平衡彎曲角度可達(dá)90°。此外，作者還進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)施加電壓越大，水凝膠膜的厚度越薄，其平衡彎曲角度越大。適量的交聯(lián)劑可以增加水凝膠的力學(xué)性能，并對(duì)其彎曲行為產(chǎn)生影響。

3 展望

殼聚糖水凝膠雖然具有無(wú)毒、易降解、生物相容性好等優(yōu)點(diǎn)，但是其力學(xué)性能、抗疲勞壽命以及響應(yīng)速度還有待進(jìn)一步提高。因此，今后用生物相容性較好的天然高分子材料制備具有優(yōu)良力學(xué)性能、快速響應(yīng)性能的水凝膠將成為電場(chǎng)敏感性水凝膠的研究熱點(diǎn)。此外，如何將這類(lèi)天然高分子電場(chǎng)敏感性水凝膠更好地運(yùn)用到仿生驅(qū)動(dòng)器、傳感器、可控藥物釋放、人工肌肉等領(lǐng)域?qū)⑹侵匾难邪l(fā)方向。

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[25]尚婧.基于天然高分子的電場(chǎng)敏感水凝膠[D].復(fù)旦大學(xué)，2008

Progress on preparation of electric-field sensitive hydrogels based on chitosan

LIU Yong，LIU Gen-qi，LIANG Di-di，LI Sha

（Department of Applied Chemistry，School of Science，Northwestern Polytechnical University，Xi'an 710129，China）

Abstract：Chitosan has fine performance of hydrophilicity，nontoxicity，biodegradability and biocompatibility.The electric-field-sensitive hydrogels prepared with chitosan as the main raw material have broad application prospects in the sensors，controlled drug release，artificial muscles and other fields.In this paper the preparation techniques of electric-field-sensitive hydrogels based on chitosan were reviewed and the future of its application was also forecasted.